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有哪些新能源产品已经开始应用硅基负极材料?
2021年11月17日    阅读量:1366    新闻来源:深圳资讯网 szftx.com  |  投稿

众所周知,电动汽车的里程续航问题一直是消费者迫切关注的痛点,这跟锂电池的能量密度息息相关,众电池厂商、车企无不使劲浑身解数,想要进一步挖掘电池能量密度提升的空间,为此大多采用以下途径:例如优化电池结构、提高活性材料能量密度、降低非活性材料占比等。

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目前商业化锂电池广泛使用的石墨负极的容量在360mAh/g左右,已经非常接近其理论比容量(372mAh/g),因此很难在石墨负极上获得突破,于是人们将目光转向硅材料,锂电池中,硅材料理论比容量为4200mAh/g,且硅的脱锂电位比较低,因此硅作为负极可以减少材料用量、提高电池能量密度,是动力电池负极材料接下来的重要发展方向。


碳材料与硅材料性能对比

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硅基负极技术发展现状

硅作为负极材料会产生很大的体积变化,随充放电发生的持续收缩膨胀会造成材料粉末化,影响电池循环寿命涂料在线coatingol.com。目前商业化的硅材料负极一般为硅碳复合体系,有单质硅-碳负极和硅氧化物-碳负极两种,相比之下,硅氧化物-碳负极较单质硅-碳负极体积膨胀更小、倍率性能更佳,但是容量和首循环库伦效率较低。


硅碳复合体系中,碳可以改善材料的导电性,缓冲硅的体积变化,避免硅颗粒的团聚等,对硅碳材料的结构进行合理设计可以更好地抑制材料的体积变化,例如可以将硅碳材料设计成核-壳结构、多孔结构等,为体积膨胀预留容纳或缓冲空间。

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常见的核-壳结构

此外,硅碳负极还有一个问题引人关注,由于硅负极材料表面形成SEI膜需要消耗大量锂源,降低电池首效,通常采用预锂化的方式来解决这一问题。例如,引入锂箔、锂粉、预锂化添加剂等,通过物理、化学或电化学手段提前补充形成SEI膜所需要的锂源,可有效提高电池首效。


综上,硅碳负极具有高容量,但是体积膨胀等问题导致其寿命略低,因此通常搭配循环寿命同样较低但比容量高的高镍NCM正极,并通过补锂手段提高首效,最大化提高电池能量密度。


硅基负极的产业化现状

硅碳负极材料在国内的发展处于初期阶段,目前,比亚迪、宁德时代、国轩高科、贝特瑞、杉杉股份、力神、比克、万向等都展开了对硅碳负极材料的布局。


据统计,2020年中国硅碳负极材料出货量为0.9万吨,仅占负极材料出货量的约2%。贝特瑞的产业化速度为行业最快,2013年就开始向三星批量供货,其硅碳负极材料已打入了特斯拉的供应链,为松下的动力电池电芯配套部分负极材料;杉杉股份的硅碳负极材料也已实现产业化,其高容量硅合金负极材料可满足新能源乘用车300wh/kg性能要求,并已对CATL实现供货。


国内负极材料巨头的硅碳负极产业化现状

企业

产业化现状

产能

规划布局

贝特瑞

2013年获三星认证,率先实现量产,是唯一拥有硅碳负极外国订单的企业

约3000吨/年

惠州贝特瑞硅碳及硅氧规划产能各3000吨/年;

杉杉股份

自2009年起开始研发硅碳负极材料技术,已经量产供货,但出货量不大,主要客户是CATL

出货占比不高

包括硅碳负极材料在内的年产10万吨锂离子电池负极材料一期(6万吨)尚在建设

璞泰来(江西紫宸)

与中科院物理所合作研发,已经具备中试规模的硅碳和硅氧能力

/

投资50亿元在江苏溧阳建隔膜、负极材料等项目,项目包括与中科院物理所合作量产新型硅碳复合负极材料

硅宝科技

2019年公司建成50吨/年硅碳负极材料中试生产线

/

投资5.6亿元在四川彭山经开区建设1万吨/年锂电池用硅碳负极材料、4万吨/年专用粘合剂生产基地、锂电材料研发中心

深圳斯诺

处于中试阶段

/

具备负极材料产能5万吨,石墨化产能2万吨(硅碳负极布局未知)

翔丰华

处于中试阶段,已具备产业化条件

/

募投项目在建负极材料产能3万吨,在年底前大致达到4万吨左右产能;后续的产能规划主要首先推进募投项目以及四川翔丰华的拟建产能加速完成(硅碳负极布局未知)


硅基负极的应用现状

除了应用在三元电池中,2021年1月,国轩高科正式发布能量密度为210Wh/kg的软包磷酸铁锂电芯,并声称在磷酸铁锂化学体系中首次成功地应用了硅负极材料。


而目前硅碳负极由于价格太高,主要应用于高端车型。今年来,随着车企在高端市场的竞争加剧,搭载硅碳负极电池的车型也开始扎堆出现。


01 特斯拉:从掺硅到直接采用硅负极

特斯拉一直使用的圆柱型电池结构对硅碳负极体积膨胀的抑制效果较好,从几年前的ModelS和ModelX开始,特斯拉就已经在石墨负极中掺杂硅材料,只是当时硅的成分极少。到了Model3阶段,特斯拉使用的21700电池中硅的比例再次得到提升,其能量密度较上一代18650电池提升了约20%,达到300Wh/kg,目前Model3的续航里程在500-600公里左右。


在2020年9月22日“电池日”,Tesla明确计划未来将采用硅负极,计划采用冶金硅作为原料,通过离子导电高分子进行涂覆、以及特殊胶粘剂混合的形式,改善硅负极的性能。

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特斯拉的几代圆柱电池


02

广汽埃安——海绵硅负极片电池技术

广汽埃安今年公布了其自研的海绵硅负极电池技术,该技术包括“纳米复合硅技术”“自修复粘结剂技术”“梯度复合涂布技术”等,让电池内部的硅负极片像海绵一样柔软有弹性,使硅在充放电过程中的膨胀和收缩被限制和缓冲,不会碎裂。同时,也像海绵吸水一样,让硅负极发挥大容量的优势,储存更多的能量。


通过该技术,可以实现锂离子电池单体电芯体积减小20%,重量减轻14%;未来会进一步将体积和重量都减小和减轻一半以上。该技术还对延长电池使用寿命、提高锂离子电池可靠性有明显的作用。搭载海绵硅负极片电池技术的广汽埃安AIONLX可实现续航里程超过1000km,有望在今年年内投产。


03

蔚来——硅碳负极+半固态电解质+高镍正极

蔚来于1月份举办的NIO Day上宣布预期于2022年交付150kWh电池包,采用原位固化固液电解质、无机预锂化硅碳负极、纳米级包覆超高镍正极,单体能量密度可达360Wh/kg,蔚来ET7将搭载这款电池。

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蔚来150kWh电池包


04

智已汽车——“掺硅补锂”技术

1月份,上汽集团及浦东新区、阿里巴巴的智己汽车发布了首款车型——智己L7,它的118kWh电池的高配版本,采用了与宁德时代合作的“掺硅补锂”技术,可以实现单体300Wh/kg能量密度,将NEDC续航提升到1000km,而且具有20万公里零衰减和“永不自燃”的特性,该高配版本计划于2022年上市。

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智已汽车联手宁德时代


总结

目前商业化的硅基负极材料主要包括碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳、无定型硅合金、硅纳米线四种,其中碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳商业化程度最高。当前各家电池厂及车厂在下一代电池设计中都已经在大规模使用硅,硅基负极材料产品也必将呈现高增长的趋势,锂电行业正逐渐迎来硅基负极全面爆发的时代。


标签:辅料与设备技术中心涂料设备胶粘剂
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